本發(fā)明涉及輸電線路在線監(jiān)測，具體為基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著傳感技術(shù)與無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及電網(wǎng)數(shù)字化、智能化建設(shè)的推進(jìn)，電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)感知與監(jiān)測需求急劇增加。其中輸電線作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)，在實(shí)際運(yùn)行中易受到氣象變化影響。氣溫、濕度等因素變化會導(dǎo)致輸電線的電導(dǎo)率、介電常數(shù)產(chǎn)生變化，從而影響電力傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性，通過對輸電線進(jìn)行溫濕度監(jiān)測，能夠幫助電網(wǎng)工作人員及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題。

2、穩(wěn)定持續(xù)的能量供應(yīng)是無線溫濕度測量系統(tǒng)正常工作的保障，由于架空輸電線采用低壓電力線供電引線困難、成本高。目前，常使用鋰電池、太陽能、風(fēng)能、磁場能量收集對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行供電，但電池供電存在攜帶電量有限、維護(hù)困難、成本高等缺點(diǎn)，自取能能量源存在間歇性和輸出功率不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。而輸電線等級確定之后電壓便不再變化，提供的電場能量也將穩(wěn)定存在，是理想的穩(wěn)定能量源。

3、為滿足監(jiān)測系統(tǒng)供電需求，電場取能器功率需要進(jìn)一步進(jìn)行提升，使用位移電流給容值較小的蓄能電容充電至較高電壓后放電到儲能電容中能夠顯著提升取能器的輸出功率，但現(xiàn)存的取能電路方案使用了大量的mos管、電壓比較器、驅(qū)動器及l(fā)do芯片來進(jìn)行蓄能電容的放電閾值電壓控制，造成了取能電路復(fù)雜度、功率損耗以及成本的提升。且多級串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)一旦確定，無法進(jìn)行修改，通用性大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：如何提供一種基于高可靠性、高效率、低成本、低復(fù)雜度的可自由級聯(lián)電場取能電路的在線輸電線溫濕度監(jiān)測方法。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法，包括：

4、使用圓筒型取能極板，產(chǎn)生感應(yīng)電勢和位移電流，構(gòu)建整流電路將感應(yīng)電場中的交變位移電流整流為直流電流，對蓄能電容充電；

5、構(gòu)建高壓欠壓鎖閉電路儲存取能極板在電場中產(chǎn)生的能量，并監(jiān)測電壓值，控制開啟和切斷蓄能電容與dc-dc電路之間的連接；

6、dc-dc電路儲存各蓄能電容釋放的電能并經(jīng)過穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的供電電壓至溫濕度傳感器；

7、溫濕度采集系統(tǒng)測量輸電線環(huán)境溫濕度信息，轉(zhuǎn)換為可量化的數(shù)字信號，發(fā)送至終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)輸電線溫濕度的無線測量。

8、作為本發(fā)明所述的基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述圓筒型取能極板包括，圓筒型取能極板為內(nèi)腔中空的金屬極板，套裝于高壓輸電線上，增大耦合電容，產(chǎn)生感應(yīng)電勢和位移電流為后端高壓欠壓鎖閉取能電路充電；

9、所述感應(yīng)電勢包括，圓筒型極板在高壓電場中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其大小與電場的變化率有關(guān)；若電場是交變電場則感應(yīng)電勢表示為：

10、

11、其中，表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，表示極板上的微小面積元素。

12、作為本發(fā)明所述的基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述高壓欠壓鎖閉電路包括，高壓欠壓鎖閉電路由三極管、mos管、穩(wěn)壓二極管和電壓監(jiān)測芯片組成；

13、儲存取能極板在電場中產(chǎn)生的能量，并監(jiān)測其電壓值，開啟或切斷蓄能電容與dc-dc電路之間的連接。

14、作為本發(fā)明所述的基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述整流電路包括，整流電路的交流端與高壓輸電線及圓筒型極板相接，將感應(yīng)電場中的交變位移電流整流為直流電流，并給蓄能電容充電；整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；使用理想二極管，整流過程可以簡化為：

15、idc(t)＝|iac(t)|

16、其中，idc(t)表示整流后的直流電流，iac(t)表示交流電流。

17、作為本發(fā)明所述的基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述dc-dc穩(wěn)壓電路包括，dc-dc穩(wěn)壓電路則將儲能電容不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電壓提供給無線溫濕度傳感系統(tǒng)，驅(qū)動溫濕度傳感器工作，并通過無線模塊將傳感器信息發(fā)送至終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；則dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓表示為：

18、vout＝d×vin

19、其中，vout表示輸出電壓；vin表示輸入電壓；d表示pwm控制的占空比；無線傳感系統(tǒng)的傳輸功率公式表示為：

20、ptx＝pin-ploss

21、其中，ptx表示發(fā)射功率，pin表示輸入功率，ploss表示系統(tǒng)損耗。

22、作為本發(fā)明所述的基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述控制開啟和切斷蓄能電容與dc-dc電路之間的連接包括，當(dāng)蓄能電容電壓達(dá)到高壓欠壓鎖閉電路設(shè)計(jì)的上限閾值電壓值時，蓄能電容開始向后端電路放電，給儲能電容進(jìn)行充電；

23、當(dāng)蓄能電容電壓值小于高壓欠壓鎖閉電路設(shè)計(jì)的下限閾值電壓值時，切斷蓄能電路與后端電路的連接，并使蓄能電容重新回到充電狀態(tài)；

24、蓄能電容的電壓不超過額定電壓，約束表示為：

25、vth，up<vrated

26、dc-dc轉(zhuǎn)換器的最佳輸入電壓范圍vdc_opt公式表示為：

27、vth，up≈vdc_opt，max

28、安全裕度電壓vmargin約束表示為：

29、vth，up＝vdc_opt，max-vmargin

30、上限閾值電壓的公式表示為：

31、vth，up＝min(vrated，vdc_opt，max-vmargin)

32、其中，vrated表示蓄能電容的額定電壓；vdc_opt，max表示dc-dc轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)最高效率的輸入電壓上限；

33、高壓欠壓鎖閉電路工作原理可以用邏輯函數(shù)表示為：

34、

35、其中，vcap表示蓄能電容的電壓，vth，up和vth，low分別表示電路的上限和下限閾值電壓。

36、作為本發(fā)明所述的基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述實(shí)現(xiàn)輸電線溫濕度的無線測量包括，主控芯片定時從溫濕度傳感器讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波和異常檢測；對多點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，輸出平均值或關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)；

37、主控芯片管理能量分配，優(yōu)先保證傳感器和無線模塊的穩(wěn)定工作，通過自動傳輸信號切換保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性；主控芯片將處理后的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至終端設(shè)備，通過lcd驅(qū)動芯片將數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在液晶屏上；

38、傳輸信號切換包括，進(jìn)行信號強(qiáng)度rssi值檢測，每隔t時間進(jìn)行一次檢測；

39、為了避免由于瞬時信號波動導(dǎo)致的頻繁切換，系統(tǒng)使用移動平均方法來平滑信號強(qiáng)度值；移動平均窗口的大小被設(shè)定為n；

40、對于wi-fi模塊的信號強(qiáng)度，移動平均值表示為：

41、

42、其中，rssiwi-fi,t-i表示上一時刻檢測的wi-fi信號強(qiáng)度值；

43、對于lora模塊的信號強(qiáng)度，移動平均值表示為：

44、

45、其中，rssilora,t-i表示上一時刻檢測的lora信號強(qiáng)度值；

46、設(shè)置切換閾值rssi0，用于判斷是否需要切換通信模塊；設(shè)置一個滯后量δ，在信號強(qiáng)度略有波動時，保持當(dāng)前狀態(tài)，減少切換頻率；

47、系統(tǒng)會每隔t時間單位，分別檢測wi-fi和lora的信號強(qiáng)度，并記錄最近n次檢測的信號強(qiáng)度值，計(jì)算移動平均值；

48、切換條件的設(shè)定公式表示為：

49、

50、根據(jù)當(dāng)前信號強(qiáng)度的移動平均值，判斷是否需要切換通信模塊；當(dāng)并且則系統(tǒng)會關(guān)閉wi-fi模塊電源，開啟lora模塊電源，并設(shè)置當(dāng)前通信信號狀態(tài)為lora。

51、一種采用本發(fā)明任一所述方法的基于高壓電場級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量系統(tǒng)，其中：

52、能量采集模塊：利用圓筒型極板在高壓輸電線的電場中產(chǎn)生位移電流和感應(yīng)電勢，從而獲取能量；圓筒型極板安裝在高壓輸電線上，專門用于感應(yīng)高壓電場中的電能；

53、能量轉(zhuǎn)換與存儲模塊：將感應(yīng)得到的交變位移電流通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，并儲存于蓄能電容中；同時利用高壓欠壓鎖閉電路對電容電壓進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)；整流電路，蓄能電容，以及高壓欠壓鎖閉電路；

54、電壓穩(wěn)定模塊：將蓄能電容中的不穩(wěn)定直流電壓通過dc-dc轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3.3v直流電壓，供后續(xù)電路使用；

55、無線傳感與通信模塊：驅(qū)動溫濕度傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸至終端設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和分析。

56、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：存儲器和處理器；所述存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于：所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。

57、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。

58、本發(fā)明的有益效果：基于高壓電場自由級聯(lián)取能器的無線溫濕度測量系統(tǒng)，解決輸電線無線溫濕度監(jiān)測及監(jiān)測系統(tǒng)的供電功率不穩(wěn)定、取能電路復(fù)雜、效率低的問題。